[发明专利]基于异或逻辑的HBSM‑MMC内部IGBT开路故障识别方法

说明书

技术领域

本发明属于HBSM-MMC本体内部保护配置技术领域，具体涉及一种基于“异或”逻辑的HBSM-MMC内部IGBT开路故障识别方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel converter，MMC)是基于电压源换流器直流输电(Voltage-sourced converter based HVDC，VSC-HVDC)的新型拓扑结构。随着绝缘栅双极型晶闸管(Insulated Gate bipolar transisitor， IGBT)等电力电子器件的快速发展，MMC在全世界范围内得到了越来越广泛的应用。与传统的两电平或三电平VSC拓扑结构相比，MMC可以降低器件开关频率，减小器件的电压变化率和电流变化率，进而降低器件的损耗和均压难度。

子模块是MMC拓扑中最关键的部件，它不仅承担了两电平换流器直流侧电容支撑直流电压的作用，而且通过子模块中全控器件的开关决定了换流器交流侧输出电压的波形质量，可以说子模块是MMC中的“功率单元”。Rainer Marquardt 在2010和2011年的两次电力电子会议上提出了广义MMC的概念，将子模块分为半桥子模块(Half Bridge Sub-module，HBSM)、全桥子模块(Full Bridge Sub-module，FBSM)和双箝位子模块(Clamping Double Sub-module，CDSM)。其中基于半桥子模块HBSM的MMC(简称HBSM-MMC)在工程实际中最为常用，故本发明主要研究HBSM-MMC中IGBT开路的情况。

HBSM-MMC中IGBT开路会使桥臂产生较大的换流，影响系统正常运行，因此快速、准备识别及定位HBSM-MMC中IGBT的开路故障、并启动相应的保护是非常有必要的。目前，国内外研究HBSM-MMC中IGBT开路故障识别方法的文献很少，于泳等(于泳，蒋生成,杨荣峰，等.变频器IGBT开路故障的诊断方法[J].中国电机工程学报,2010,30(6):1-6.)分别提出了变频器中IGBT开路故障的诊断策略，但其仅针对两电平变频器，不能直接应用于HBSM-MMC；Shao S等(Shao S， Wheeler P，Clare J，et al.Fault detection for multilevel converters based on sliding mode observe[J].IEEE Trans.On Power Electronics,2013.)对HBSM-MMC提出一种基于滑模观测器的故障诊断策略，其主要针对IGBT开路故障进行了研究，该诊断策略对器件参数的不确定性和测量误差与延时均具有较好的免疫能力，当从故障发生到诊断完成耗时较长；李探等(李探，赵成勇，李路遥，等，MMC-HVDC子模块故障诊断与就地保护策略[J].中国电机工程学报，2014， 34(10)：1641-1649.)利用某故障诊断指标实现HBSM-MMC中IGBT开路故障的诊断，该方法虽然计算时间较短，但是所需参数较多。

因此，有必要寻找更加快速、精确、使用参数更少的方法来对HBSM-MMC中 IGBT开路故障进行识别及定位，研究成果可作为现有HBSM-MMC中IGBT开路故障诊断的有益补充，有助于提高HBSM-MMC本体内部保护的快速性和可靠性。

发明内容

为解决现有的识别HBSM-MMC中IGBT开路故障的方法所存在的问题，本发明提出一种基于“异或”逻辑的HBSM-MMC内部IGBT开路故障识别方法，该方法能够快速、精确识别发生开路故障的HBSM及IGBT，其主要技术特征是将HBSM的工作状态及HBSM中的电容电流与桥臂电流的比值进行“异或”，从而实现对 HBSM内部IGBT开路故障快速、准确识别及定位。首先进行以下定义。

(1)定义HBSM的工作状态

采用S_n表示第n个HBSM的工作状态，并做如下规定：

其中，n＝1,2…2N，N为上、下桥臂的级联HBSM数。

(2)定义HBSM电容电流与桥臂电流的比值:

第n个HBSM的电容电流的计算公式为：

其中，i_cn为第n个HBSM的电容电流，u_cn为第n个HBSM的电容电压，C_n为第n个HBSM的电容值。

第n个HBSM电容电流与桥臂电流的比值用λ_n表示，即：